Síntese e Aplicação de Nanotubos de Carbono em Biotecnologia Edelma Eleto da Silva
Orientador: Prof. Luiz Orlando Ladeira Co-orientador: Prof. Rodrigo Gribel Lacerda
EDELMA ELETO DA SILVA
Síntese e Aplicação de Nanotubos de Carbono
em Biotecnologia.
Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG
Síntese e Aplicação de Nanotubos de Carbono
em Biotecnologia.
Tese apresentada ao Departamento de Pós Graduação de Física da Universidade Federal de Minas Gerais em preenchimento parcial dos requisitos para obtenção do grau de Doutor em Física.
Orientador: Prof. Luiz Orlando Ladeira. Co-orientador: Prof. Rodrigo Gribel Lacerda
Agradecimentos
Sou imensamente grata ao professor Luiz Orlando Ladeira, pelos valiosíssimos ensinamentos, a excelente orientação, as grandiosas idéias, a invejável empolgação destinada a este trabalho, e principalmente ao companheirismo durante toda minha estada na UFMG.
Gostaria de agradecer ao professor Rodrigo Gribel Lacerda, meu co-orientador, que desde sua chegada fez crescer, de maneira surpreendente, as atividades de pesquisa dentro do Laboratório de Nanomateriais, com muitos alunos, colaborações interdisciplinares e interinstitucionais, sem esquecer da paciência e dedicação dados a todos. Ao professor André Ferlauto que me auxiliou desde as primeiras sínteses via CVD até na revisão desta tese. Ao Sérgio Oliveira, que me ajudou a crescer como pesquisadora e pessoa, sendo professor, conselheiro, entusiasta e amigo.
Meus sinceros agradecimentos aos professores e respectivos orientados que abriram as portas de seus laboratórios, contribuindo assim para a realização deste trabalho:
No departamento de Física: aos professores Roberto Moreira e Aríete Righi do Laboratório de Espectroscopia de Infravermelho, aos professores Marcos Pimenta e Ado Jório do Laboratório de Espectroscopia Raman, ao professor Luiz Cury do Laboratório de Ótica de Semicondutores ao professor Matias do Laboratório de Sistemas não lineares - Caos ao professor Pedro Barbosa do laboratório de fluidos complexos aos professores Klaus Krambrock e Maurício V. Pinheiro do Laboratório de Ressonância Paramagnética a professora Karla Balzuweit, ao Garcia e ao Willian do Laboratório de Microanálise, ao professor Bernardo Neves do Laboratório de Nanoscopia e ao professor Nivaldo Speziali do Laboratório de Difração de Raios-X.
No Departamento de Química: A professora Glaúra G. Silva do Laboratório de Materiais e a Professora Rossimiriam P.F. Gil do Laboratório de Química Orgânica e Síntese.
No Departamento de Biologia e Odontologia: o professor Mauro Teixeira do Laboratório de Imunologia, o professor Gregory Kitten do Laboratório de Morfologia, o professor Ari Corrêa do Laboratório de Botânica, a professora Tarcila A. da Silva da Odontologia e as professoras Maria de Fátima Leite e Patrícia Valério e do laboratório de Fisiologia e biofísica e a professora Silvia Carolina G. Fonseca do laboratório Eletrocel.
No CDTN ao professor José Domingos do laboratório de física de superfícies e as professoras Adelina P. Santos e Classídia A. Furtado dos laboratórios de nanomateriais.
Nas oficinas mecânica, eletrônica e criogenia ao Sr. João Batista, Joércio, Raimundo, Gilberto, Rubéns, Cloves e Valter.
No departamento de Metalurgia ao professor Herman Mansur.
Na Universidade Federal do Ceará ao professor Valder N. Freire, Júlio Góes. E aos colegas e amigos que me auxiliaram dia após dia.
Débora Pinto, Rafael Gonçalves, Blanda, Erick Ávila, Rodrigo Guimarães, Daniel Bretas, Leonardo Campos e Leonardo Rodrigues, Além-Mar, Gustavo Catão, Marina Ladeira, Marcelo Valadares, Giselle.
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C O M P O S I T O S
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C A R B O N O D
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Resumo
A possibilidade de reconstituição dos tecidos ósseos nos incentivou a buscar novos materiais para a formação de um compósito que fosse biocompatível, biofuncional e que possuíssem as principais características físicas de um arcabouço de crescimento de tecidos. Por exemplo, a mistura de nanotubos de carbono com outros materiais como polímeros podem gerar compósitos inteligentes com novas propriedades elétricas e mecânicas. Apesar do uso de polímeros apesar ter aumentado enormemente nas últimas décadas, este ainda tem seu uso muito limitado na área biomédica devido a sua baixa biocompatibilidade. Uma alternativa viável para substituição destes polímeros é o colágeno, que é uma biomolécula que se estrutura em forma de uma matriz altamente porosa. Baseados nesta característica e nas possíveis variações estruturais que podem ser causadas pelos NTC ao se incorporar nesta matriz começamos a desenvolver esse trabalho que envolve aspectos de pesquisa e desenvolvimento na área de biotecnologia. Além disso, o estudo de compósitos de colágeno e nanotubos de carbono, de modo a construir nanoestruturas que possam substituir estruturas biológicas, permitindo sua regeneração, restauração e manutenção da sua função. Nesta dissertação iremos trabalhar com dois sistemas nanométricos de grande importância: o colágeno, que é uma seqüência de moléculas de aminoácidos; e o NTC, que é um conjunto de átomos de carbono ordenados nanoscopicamente em forma de tubos, visando modificar, melhorar e criar novas aplicações nas áreas de reconstrução de tecido e biointegração.
Abstract
Recent advances on bone tissue engineering led us to search new materials that are biocompatible, with different active bio functions and characteristics which are similar to real growth tissues. Recently, it has been demonstrated that new composites with improved mechanical and electrical properties can be created by the introduction of small amounts of carbon nanotubes (CNT) into other matrizes (like polymers). However, in spite of the considerable amount of studied performed in polymers in these last decades, its low degree of biocompatibility has hindered its wide use in biomedicine. An alternative and interesting material for a composite would be the use of collagen. Collagen is biomolecule that has highly porosity matrix. Based on this characteristic we propose to develop a new biomaterial composed by a mixture of collagen and carbon nanotubes. This new biocomposite is a scaffold that can have important implications in a wide range of biotechnology areas. This material has the potential to substitute biological structures, to allow a more effective tissue regeneration, restitution and physical properties. Additionally, the focus of the work involves two nanometer size systems of great interest: the collagen which is a sequence of aminoacids and the NTC that is composed by atoms of carbon in the forms of tubes.
Sumário
Lista de figuras ... 14
Lista de tabelas ... 19
1. Introdução ... 20
1.1. Nanotubos de carbono... 24
1.2. Colágeno ... 29
1.3. Compósitos. ... 33
1.4. Biocompósitos. ... 34
Referência bibliográfica ... 37
2. Síntese de nanotubos de carbono ... 39
2.1. Processo de síntese de nanotubos de carbono por deposição química na fase vapor. 39 2.2. Preparo do catalisador para deposição química na fase vapor ... 41
2.3. Caracterização do catalisador ... 43
2.4. Caracterização dos nanotubos de carbono via deposição química na fase vapor 49 2.5. Processo de síntese de nanotubos de carbono por arco elétrico. ... 61
2.6. Caracterização dos nanotubos de carbono via arco elétrico. ... 64
Referências bibliográficas ... 67
3. Purificação de nanotubos de carbono. ... 69
3.1. Nanotubos de carbono via deposição química na fase vapor ... 72
3.2. Nanotubos de carbono via arco elétrico ... 76
Referências bibliográficas ... 82
4. Nanotubos de carbono funcionalizados... 83
4.1. Carboxilação: ... 84
4.3. Alendronato de sódio ... 95
4.4. Ouro ... 100
4.5. Hidróxido de amônia ... 102
4.6. L-alanina ... 106
4.7. Nanotubos de carbono- RNA INF24... 111
4.8. Polissacarídeos ... 115
4.9. Solubilidade de nanotubos de carbono funcionalizados em solução aquosa. .... 120
Referências bibliográficas ...122
5. Nanotubos de carbono curtos. ...123
Referências bibliográficas ...130
6. Compósito de NTC e colágeno...131
6.1. Extração do colágeno e produção do compósito ... 133
6.2. Análise térmica ... 140
6.3. Ensaio de Tração ... 142
6.4. Hidratação dos compósitos ... 145
6.5. Hipóteses de interações... 149
Referências bibliográficas ...153
7. Mineralização de nanoestruturas ...154
7.1. Teste in vitro ... 157
7.2. Teste in vivo... 170
Referências bibliográficas ...177
8. Conclusão ...178
A. Anexo ...180
1. Caracterizações utilizadas ... 180
1.3. Espectroscopia Raman ... 181
1.4. Análise termogravimétrica ... 182
1.5. Espectroscopia na infravermelho (modo transmissão). ... 182
1.6. Microscopia eletrônica de transmissão... 183
1.7. Preparação de amostra para medida de solubilidade. ... 183
B. Anexo ...184
1. Toxicidade ... 184
1.1. Efeito da adição de nanotubos na viabilidade celular em uma cultura de macrófagos murinos. ... 186
1.2. O efeito dos nanotubos de carbono em soluções para proliferação de osteoblastos e produção de fosfatase alcalina... 188
1.3. Cultura de osteoblastos ... 190
1.4. Transfecção de nanotubos de carbono funcionalizados com si-RNA1 ... 191
1.5. Novo método de transporte em células usando nanotecnologia: Transporte SWNT cobertos por inf-24 em germinados tubos de Uromyces appendiculatus ... 194
Lista de figuras
Figura 1-1: Vetores que descrevem a rede grafítica dos nanotubos de parede simples ... 25 Figura 1-2: Tipos de nanotubos de carbono monocamada segundo orientação de suas redes
cristalinas(a) nanotubos armchair (5,5), (b) nanotubos zigzag (9,0) e (c) nanotubos chiral
(10,5). ... 25 Figura 1-3: Exemplos de vetores quirais possíveis. Os círculos maiores indicam nanotubos
metálicos, enquanto os círculos menores, nanotubos semicondutores. ... 27 Figura 1-4: Estrutura do colágeno indicando a cadeia alfa ... 30 Figura 1-5: Estrutura do colágeno a)cadeias de tripleto presente nas matrizes de colágeno b)
tropocolágeno c) hélice tripla14... 31 Figura 2-1: Desenho esquemático do sistema de crescimento de nanotubos de carbono por CVD.... 40 Figura 2-2: Curva de perda de massa por aquecimento durante a calcinação ... 44 Figura 2-3: Isoterma de absorção e dessorção de hidrogênio no catalisador Fé:Mo/MgO com
variação molar de MgO. ... 45 Figura 2-4: Espectros Mössbauer a temperatura ambiente do catalisador Fe:Mo/MgO tratado
termicamente em diferentes temperaturas em atmosfera de argônio. As linhas cinza continuas são associadas à fase Fe1-xMgxO; as linhas cinza pontilhadas estão associadas a dois tipos de
fase da magnetita e a linha pontilhada preta é associada à fase Fe1-xMoxOy ... 47
Figura 2-5: Áreas relativas dos sub-espectros das três fases obsedavas nos espectros Mössbauer a temperatura ambiente: fase óxido de ferro magnésio (retângulos); Fe3O4 (Triângulos) e Fe 1-xMoxOy (estrelas) ... 48
Figura 2-6: Difratogramas de raios-X das amostras tratadas termicamente em diferentes temperaturas sob atmosfera de argônio. (a) – MgO; (b) – Fe1-x Mgx O; (c )- Fe3O4; (d) – MoO2 e (e) –
FeMoO4... 49
Figura 2-7: Imagens de MEV de amostras de NTC crescidos sobre Fe:Mo/MgO utilizando diferentes temperaturas de síntese, T (a) T=500°C, (b) T=600°C, (c) T=700°C, (d) T=800°C, (e)
T=900°C, e (f) T=1000°C. ... 50 Figura 2-8: MET de NTC em sínteses à temperatura de a) 700oC e b) 900oC ... 51 Figura 2-9: Espectro Raman de NTC (a) Região da banda G e (b) RBM (usando comprimento de
onda 514,5nm)... 53 Figura 2-10: Mostra a dependência da temperatura com o rendimento do processo de produção de
NTC. ... 54 Figura 2-11: Foto barquinho a)catalisador e b) NTC para comparação de volume acrescido no
processo ... 55 Figura 2-12: Rendimento da síntese de NTC (a) comparação entre concentração do catalisador e
Figura 2-14 Os espectros Mössbauer de transmissão, obtidos à temperatura ambiente, do catalisador sem qualquer tratamento térmico e das amostras de nanotubos de carbono crescidos a 500, 600, 775 e 900oC. A linha continua em cinza claro está associada à fase Fe1-xMgxO. A linha
continua em cinza está associada à fase Fe1-xOx,as linhas pontilhadas cinza estão associadas à
carbeto e as em preto estão associadas à solução sólida γ-Fe(C). ... 59
Figura 2-15: Área espectral das fases do nanotubos de carbono ... 60
Figura 2-16: Desenho esquemático de um sistema de síntese por arco elétrico. ... 62
Figura 2-17: Foto da parte interna da câmara após deposição de NTC, usando catalisador C/Ni/Y à 550Torr em atmosfera de hélio e com 100A e 17V. ... 64
Figura 2-18: NTPS sintetizado via arco elétrico a) MEV, b) MET ... 65
Figura 2-19: Espectroscopia Raman ... 66
Figura 3-1: Curva de TG referente a queima de NTC a) purificados e b) não purificados em nanotubos sintetizados via CVD. ... 73
Figura 3-2 MEV de NTC e NTC purificado ... 74
Figura 3-3: MET de NTC sintetizados via CVD a) não purificados e b) purificado ... 75
Figura 3-4: Espectroscopia Raman de NTC ... 76
Figura 3-5: Curvas TG e DTG da decomposição térmica dos NTC a) purificados e b) não purificados ... 78
Figura 3-6: MEV de comparativos NTC purificados e não purificados... 79
Figura 3-7: MET de NTC sintetizados via arco elétrico não purificados na primeira linha e purificado na segunda linha ... 80
Figura 3-8: Espectroscopia Raman de NTC sintetizado via arco elétrico e deste NTC purificado. ... 81
Figura 4-1: Nanotubos de carbono carboxilados. ... 85
Figura 4-2: Espectroscopia IR de NTC carboxilado ... 86
Figura 4-3: Análise térmica dos NTC ... 87
Figura 4-4: AFM dos NTC COH ... 88
Figura 4-5: Solubilização instantânea dos NTC funcionalizados com carboxila. ... 89
Figura 4-6: MEV de NTC COOH. ... 90
Figura 4-7: Espectroscopia Raman de NTC funcionalizados com carboxila. ... 90
Figura 4-8: NTC – ácido oxálico ... 92
Figura 4-9: Infravermelho das funcionalizações com ácido oxálico, ácido nítrico e oxálico e a anterior com tratamento térmico de 200oC por 3 horas. ... 93
Figura 4-10: Espectroscopia Raman de NTC funcionalizado com ácido oxálico e nítrico. ... 94
Figura 4-11: MEV NTC funcionalizados com a) ácido oxálico e b)ácido oxálico e nítrico. ... 95
Figura 4-12: AFM de NTC bifosfonados sobre substrato de silício. ... 97
Figura 4-13: Espectro IR do NTC funcionalizado com Alendronato de sódio ... 98
Figura 4-14: Espectroscopia Raman de NTC funcionalizados com alendronato. ... 99
Figura 4-15: AFM dos NTC decorados com ouro ... 101
Figura 4-17: NTC funcionalizado com amônia ... 103
Figura 4-18: NTC em água a) purificado, b) funcionalizado com amônia, c) o anterior com tratamento térmico à 150oC... 103
Figura 4-19: AFM de NTC funcionalizado com hidróxido de amônia. ... 104
Figura 4-20: Espectroscopia IR NTC amônia e após tratamento térmico. ... 105
Figura 4-21: Espectroscopia IR da a) NTC carboxilados, b) L-alanina e c) NTC com L-Alanina ... 108
Figura 4-22: AFM de nanotubos funcionalizados com L-alanina... 109
Figura 4-23: MEV de NTC funcionalizados com L-alanina... 109
Figura 4-24: Foto de parte da simulação da interação entre a) NTC e alanina e b) NTC-COOH e L-alanina ... 110
Figura 4-25: AFM NTC funcionalizados com oligonucléicos... 112
Figura 4-26: Espectro Raman dos CNT funcionalizados com o oligonucléico Inf24. ... 113
Figura 4-27: Espectroscopia IR NTC INF... 114
Figura 4-28: IR de polissacarídeos, goma arábica, NTC funcionalizado com goma arábica e com goma de cajueiro. ... 117
Figura 4-29: Espectro Raman de NTC e NTC funcionalizado com goma Arábica... 118
Figura 4-30: Gráfico comparativo de solubilidade entre polissacarídeos com 5% de NTC ... 118
Figura 4-31: Gráfico comparativo de solubilidade de goma arábica com quantidade diferenciada de NTC. ... 119
Figura 4-32: Gráfico de comparação de solubilidade entre diversos NTC. ... 121
Figura 5-1: Imagem de AFM de NTC-COOH picotado ... 124
Figura 5-2: Imagem de AFM de NTC-COOH picotado ... 125
Figura 5-3: Espectroscopia Raman NTC picotados Espectros Raman: NTC Carboxilado picotado. e NTC picotado não-funcionalizado. As medidas formam feitas no pó de NTC ... 126
Figura 5-4: Espectroscopia IR NTC picotados ... 127
Figura 5-5: MEV a) nanotubos picotados, b) fio de NTC obtido por centrifugação, c) ampliação de b... 128
Figura 6-1: Compósito Colágeno: NTC fabricado no laboratório ... 132
Figura 6-2: Micrografias da estrutura morfológica de colágeno produzidos de a) tendões de ovelha, b) e o compósito originado deste colágeno, c) colágeno produzidos de caudas de rato e d) compósito originado este colágeno, e respectivas ampliações. ... 137
Figura 6-3: Espectro IR do compósito de colágeno com NTC ... 139
Figura 6-4: Espectro Raman do compósito de colágeno com NTC ... 139
Figura 6-5: Análise térmica de estruturas de compósito e colágeno a) de cauda de rato e b) de tendão de carneiro. ... 141
Figura 6-6: Exemplo das curvas de tensão versus elongação de filmes colágeno e compósito. ... 143
Figura 6-7: Distribuição de tensão de ruptura para duas amostragens de colágeno. ... 145
Figura 6-9: Imagem para comparação de densidade qualitativa... 147
Figura 6-10: Solubilização de compósitos com diferentes concentrações de nanotubos de carbono 148 Figura 6-11: Possibilidades de arranjos de colágeno em NTC. ... 151
Figura 6-12: Fragmento de uma hélice do colágeno (seqüência de proteínas) ligada ao NTC. ... 152
Figura 7-1: Imagens comparativas de HAp sobre substrato de Si, mostrando a mineralização a) solução fisiológica b) solução molar. ... 158
Figura 7-2: Materiais expostos a solução fisiológica de Ca2+ e PO4 A) NTC, B) Compósito expostos por 1 semana e C) Nanotubo de carbono e D) compósito expostos por 4 semanas... 159
Figura 7-3: Espectro de Raios-X de HAp sobre substrato amorfo com solução molar. ... 160
Figura 7-4: Mineralização sobre NTC-COOH... 161
Figura 7-5: Difração de raio-X sobre NTC ... 162
Figura 7-6: Comparação de formação de HAp sobre substrato de Si linha a) sem agitação e linha b) sob agitação com as respectivas ampliações. ... 163
Figura 7-7: Comparação morfológica de HAp em a) colágeno imerso por 1semana e c)colágeno imerso há 4 semanas e b) compósito imerso a 1semana d) compósito imerso por 1semanas .. 165
Figura 7-8: Difração de raio-X das matrizes de a)colágeno e b) compósito. ... 166
Figura 7-9: Espectro na região do infravermelho para estrutura do colágeno e do compósito. ... 167
Figura 7-10: Desenho esquemático da relação entre a interface do compósito de HAp e Colágeno8. ... 169
Figura 7-11: Desenho esquemático da relação entre a interface do NTC e da HAp. ... 169
Figura 7-12: Passos da cirurgia em fêmur de cão... 171
Figura 7-13: Radiografias para acompanhamento de reestruturação óssea. a e b primeiro dia, c e d trinta dias após a cirurgia. ... 173
figura 7-14: Fotomicrografias das regiões implantadas com a) controle b) colágeno c) compósito COOH - As setas menores indicam a área de ossificação, as setas maiores indicam os limites do defeito ósseo, As setas brancas indicam o colágeno:nanotubo carboxilado, a área delimitada indica o tecido conjuntivo com intenso infiltrado inflamatório. ... 175
Figura B-1: Viabilidade celular. ... 187
Figura B-2: Produção de fosfatase alcalina em culturas contendo NTC ... 189
Figura B-3: Proliferação de osteoblastos ... 189
Figura B-4: Secreção de colágeno. ... 190
Figura B-5: Histogramas de proliferação celular e produção de fosfatase alcalina por osteoblastos. ... 191
Figura B-6: IMF em células SK-Hep 1 para InsP3 R III. NTC Picotado adicionados á diferentes concentrações de siRNA funcionam como um eficiente agente de transfecção. ... 193
Figura B-7: Desenvolvimento percentual de apressórios em diferentes CNT. ... 195
Lista de tabelas
Tabela 2-1: Catalisador Fe:Mo/MgO com variação molar de MgO comparação de volume absorvido, diâmetro dos poros e área superficial. ... 45 Tabela 4-1: Freqüências de vibração do IR da molécula de amônia... 106 Tabela 6-1 Tensão na ruptura (MPa), e módulo elástico (MPa) para colágenos, compósitos e outras
1. Introdução
Em 1959, no Encontro da Sociedade Americana de Física no Caltech, Richard Feynman, instigou a curiosidade dos pesquisadores em sua palestra “There`s plenty of room at the bottom”. Abordando perspectivas da miniaturização, ele profetizou o início de uma nova maneira de pensar os processos e construção de estruturas moleculares, invertendo a direção usual da construção de dispositivos. Sua idéia propunha construir dispositivos ou estruturas funcionais a partir das moléculas ou entidades supramoleculares, ou seja, dos constituintes básicos da matéria no lugar da abordagem convencional da escala macro em direção ao micro (miniaturização). Materiais e dispositivos produzidos em escala menores apresentam propriedades físico-químicas exóticas devido ao aparecimento de efeitos quânticos, redução de tamanho, grande área interfacial e rapidez de operação, abrindo uma oportunidade enorme à criatividade humana em vários segmentos da ciência e tecnologia.
Em particular, uma classe de materiais criados pelo homem usados em nanotecnologia são os materiais nano estruturados de carbono, tais como: fullerenos sintetizados em 19851 e os nanotubos de carbono descobertos por Ijima em 19912. Tais materiais de carbono, hoje apresentam um grande interesse de pesquisa em física da matéria condensada, bem como em outras áreas de conhecimento como química, petroquímica, ciência, engenharia de materiais, eletrônica, informática, biomateriais e medicina. Nos últimos anos, a pesquisa em nanotubos de carbono (NTC) se tornou extremamente ampla e diversificada abrindo novos campos de estudo e grandes perspectivas de aplicação em todas as áreas acima mencionadas com um caráter altamente multidisciplinar, permeando grande parte do conhecimento. Existe na literatura atual uma vasta bibliografia a respeito das propriedades físicas, eletrônicas e mecânicas dos NTC, uma boa referência deste assunto é Dresselhaus3.
Atualmente, o potencial de aplicações dos NTC é imenso devido a suas propriedades como grande área superficial e excelentes propriedades termomecânicas, que possibilita a aplicação em sensores, filtro sem membranas e também na criação de novos biomateriais como compósitos na engenharia de reconstrução de tecidos5.
A mistura de NTC com outros materiais (como polímeros e polímeros biocompatíveis) pode gerar compósitos inteligentes com novas propriedades elétricas e mecânicas. Embora o uso de polímeros tenha aumentado enormemente nas últimas décadas, o seu uso na área biomédica é ainda muito limitado devido a sua baixa biocompatibilidade. O estudo destas estruturas visa o estudo e o desenvolvimento de novos biomateriais baseados em compósitos de NTC e colágeno, visando modificar, melhorar e criar novas aplicações nas áreas de reconstrução de tecido e biointegração. Desta forma, esse estudo envolve aspectos de pesquisa e desenvolvimento na área de biotecnologia, como o estudo de compósitos de colágeno e nanotubos de carbono, de modo a construir nano estruturas que possam substituir estruturas biológicas, permitindo sua regeneração, restauração e manutenção da sua função através da interação destes dois sistemas nano métricos de grande importância: o colágeno, que é uma seqüência de moléculas de aminoácidos; e o NTC, que é um conjunto de átomos de carbono ordenados nanoscopicamente em forma de tubos.
O objetivo principal deste estudo é a construção de estruturas que possam ser colocadas em substituição a perdas de tecido, de modo a prover suporte para o meio extracelular, bem como permitir que células hospedeiras recriem um novo tecido natural.
para a reposição óssea. O biomaterial sempre deve permitir um crescimento sustentado do osso vizinho, promovendo contato direto entre o osso e o material, para que ocorra o fenômeno da osteointegração. O interesse pela hidroxiapatita (HAp) como um biomaterial está então relacionado com o fato desta ser a principal fase mineral encontrada no tecido ósseo e ter alta biocompatibilidade. Colágeno pode ser usado como arcabouço de HAp por ser um agente de união biocompatível e reabsorvível, responsável pela prevenção da migração das partículas de HAp até sua incorporação no tecido.
Sabendo destes argumentos, começamos a estudar a incorporação da HAp sobre os materiais por nós estudados, isto é NTC, colágeno e compósitos. Para verificar se com uma pequena concentração de grupos fosfato “buscadores” de íons Ca2+ seria possível obter respostas bem parecidas com as já encontradas com a utilização de HAp, sem que ela esteja presente no material de implante, utilizando o metabolismo do próprio corpo para sintetizá-la. Várias técnicas de avaliação da adequação de um novo material para aplicações biomédicas têm sido desenvolvidas em uma tentativa de simular do desempenho do material após sua inserção no corpo humano. Essas técnicas compreendem testes in vitro e in vivo. Para testes in vitro, são utilizados normalmente testes de bioatividade em líquido corporal simulado e estudos em cultura de células. Os estudos em cultura de células normalmente compreendem testes de citotoxicidade, medições bioquímicas de atividade celular, avaliação de proliferação, crescimento e morfologia celular. Durante o desenvolvimento deste estudo, a manipulação de materiais biológicos e os procedimentos necessários para testá-los foram realizados em colaboração com professores do Instituto de Ciências Biológicas da UFMG, que se mostraram altamente interessados neste trabalho. Vale então ressaltar o caráter multidisciplinar do presente trabalho e agradecer as colaborações externas e disponibilização de seus laboratórios, indispensáveis para sua realização.
destes NTC para permitir a utilização dos mesmos no desenvolvimento de um novo compósito utilizando colágeno e a sua posterior aplicação.
No capítulo 2, será mostrada a síntese dos NTC por duas técnicas, a saber: deposição via descarga de arco elétrico, desenvolvida desde 2000 e a técnica de deposição química na fase vapor (CVD), desenvolvida desde 2002, com a compra do forno de decomposição química na fase vapor no laboratório de nanomateriais. Neste período foram iniciados os estudos e desenvolvimento de catalisadores e de técnicas de deposição. Inicialmente a produção era em pequena escala, mas com o desenvolvimento dos catalisadores e das sínteses o rendimento na produção de NTC foi aumentando, e obtivemos um processo de síntese em larga escala. Durante esses estudos foram sendo desenvolvidas técnicas de purificação e funcionalização que causam mudanças superficiais, para promover aplicabilidade aos NTC. Estas técnicas serão descritas nos capítulos 3, 4 e 5, mostrando processos de purificação específicos para cada tipo de NTC e alguns processos de funcionalização e de picotamento destes NTC.
No capítulo 6 será apresentado o compósito produzido a partir de colágeno e NTC, um material desenvolvido no nosso laboratório, e que nos proporcionou a primeira patente nacional sobre compósitos com matriz de colágeno utilizando NTC. Esta patente foi depositada no Instituto Nacional de Propriedade Industrial (INPI) sob o número PI0601751, em 12/04/06. Neste capítulo também serão apresentadas as caracterizações e diferenças entre o compósito e o colágeno.
1.1. Nanotubos de carbono
Os NTC são formas metaestáveis de carbono resultante do enrolamento de um plano de átomos de carbono em hibridização sp2 com diâmetro típico da ordem de 1
nm e comprimento na ordem de 3-10 µm. Com diâmetro na ordem de 1 nm, efeitos quânticos de confinamento levam este material a ser considerado um sistema unidimensional e suas propriedades eletrônicas dependentes de sua cristalografia, ou seja, seu raio e simetria (ou quiralidade), podendo se comportar como um metal ou semicondutor. A forte ligação covalente de seus átomos proporciona aos nanotubos de carbono características de um material com alta resistência mecânica, e seu caráter metálico, uma alta condutividade térmica e elétrica. Além disso, a ausência de ligações pendentes dá a este material grande inércia química, fundamental, para o seu uso em aplicações biotecnológicas e bioquímicas.
Este material se apresenta em duas formas distintas, a saber:
1. com parede simples (NTPS) formado de uma única folha de grafeno enrolada em várias direções em relação aos hexágonos de carbono (helicidade) com diâmetro e as propriedades eletrônicas dependentes. 2. com paredes múltiplas formado de três ou mais folhas de grafeno
enroladas concentricamente com helicidade aleatória característica de estruturas turbostráticas.
m=0e quiral em todos os outros casos (n≠ ≠m 0) e estão definidos pelo ângulo de helicidade θ. Se θ varia de 0° a 30° podemos gerar tubos partindo do tipo “armchair” até o “zigzag” como limites, passando pelos tubos “chiral”. Na figura 1-2 são mostrados os três tipos de tubos mencionados.
Figura 1-1: Vetores que descrevem a rede grafítica dos nanotubos de parede simples 7
Em termos dos inteiros (n,m), os diâmetros dos tubos estão definidos por7,3.
2 2
h 3
C
d= ac c n nm m
π − π
+ +
=
onde ac c− é a distância entre dois átomos vizinhos mais próximos (1,42 o
Α). O ângulo chiral, é definido por7.
1 3
tan 2
n m n
θ = − ⎡ ⎤
⎢ + ⎥
⎣ ⎦
Para estudar as propriedades dos NTC como sistemas unidimensionais, é necessário definir o vetor de rede Tur ao longo do eixo do tubo e perpendicular ao vetor chiral. O vetor Tur define a cela unitária de um nanotubo unidimensional. Seu módulo T corresponde ao primeiro ponto da rede da folha bidimensional do grafite, pelo qual passa a vetor Tur.
A partir da figura 1-1, para um nanotubo chiral, o vetor Tur pode ser escrito da seguinte maneira7:
1 2
R
[(2m+n)a - (2n+m)a ] T=
d ur
cujo módulo é igual a:
h R
3C
T = .
d e d é definido pela seguinte relaçãoR 7:
R
d d, se n-m não é múltiplo de 3d. 3d, se n-m é múltiplo de 3d
onde d é o máximo comum divisor de n e m.
A partir do tamanho da cela unitária de um nanotubos bidimensional definido pelos vetores ortogonais Tur e Crh, o número de hexágonos, N, por cela unitária de nanotubos chiral resulta em 7:
(
2 2)
R
d
n nm m
N = + +
sendo que por cada hexágono são considerados 2 átomos de carbono, ou seja, em cada cela unitária existem 2N átomos de carbono.
Com isto, os NTC mais finos podem ser considerados como fios quânticos, mostrando densidades de estados eletrônicos unidimensionais com singularidades de Van Hover, acima e abaixo do nível de Fermi, EF.
Em termos dos índices (n,m), um nanotubo é metálico quando n-m é múltiplo de 3, em caso contrário é semicondutor910. Todos os nanotubos “armchair” são metálicos, enquanto que os “zigzag” e chiral podem ser metálicos ou semicondutores.
Na figura 1-3 está representada uma parte dos vetores quirais que geram todos os nanotubos possíveis, onde 1/3 deles são metálicos, isto é, o conjunto de seus estados permitidos inclui o nível de Fermi, e 2/3, semicondutores. Isso acontece devido à simetria hexagonal da estrutura da lâmina de grafeno.
Figura 1-3: Exemplos de vetores quirais possíveis. Os círculos maiores indicam nanotubos metálicos, enquanto os círculos menores, nanotubos semicondutores.
O tipo de condução é determinado pelo subconjunto de estados eletrônicos permitidos no nanotubo. Se o nível de Fermi do grafite estiver contido no subconjunto de estados permitidos, tem-se um nanotubo metálico, caso contrário tem-se um nanotubo semicondutor. Esse resultado é obtido, aplicando-se a condição de contorno periódica11.
D.k = 2πm onde m é inteiro.
1 2 2
2D o
3
E = 1+4cos cos 4 cos
2 2 2
y y
x k a k a
k a
γ ⎡ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎤
± ⎢ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎜ ⎟+ ⎜ ⎟⎥ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠
⎢ ⎝ ⎠ ⎥
⎣ ⎦
onde γo é a integral de sobreposição entre primeiros vizinhos. De onde se obtém que todo nanotubo metálico satisfaz a condição 2n1+n2=3q, onde q é inteiro.
Portanto, os nanotubos podem se comportar tanto como um metal, quanto um semicondutor.
Nos semicondutores, a condução só é possível quando se fornece a energia necessária para que um elétron da banda de valência possa atravessar a faixa de energia proibida entre ela e a banda de condução. O tamanho dessa zona proibida, ou
gap, varia conforme o material. Nos nanotubos, o tamanho do gap depende do diâmetro dos mesmos12.
1.2. Colágeno
Os colágenos constituem uma das famílias de biomoléculas (proteínas) mais abundantes nos tecidos, havendo pelo menos 20 tipos de cadeias que se combinam para produzir formas diferentes com propriedades mecânicas e bioquímicas diferenciadas e adequadas à especificidade dos tecidos.
Na estrutura do colágeno se entrelaçam mais de 10 mil triplas de longos polipeptídeos formando uma grande diversidade de moléculas de colágeno atualmente conhecidas. Nos tecidos duros, o colágeno funciona como um suporte para a deposição mineral. Nos tecidos moles ele forma uma matriz onde se alojam várias substâncias e células. Ele atua na manutenção da forma e da integridade dos tecidos. O colágeno está presente em: glândulas, órgãos internos, vasos sangüíneos e linfáticos, paredes celulares, ossos, pele, ligamentos, tendões, córnea, cristalino ocular, cartilagens, meniscos, discos intervertebrais e plasma sangüíneo.
Os aminoácidos que compõem o colágeno em maior quantidade são: hidroxiprolina, ácido aspártico, treonina, serina, ácido glutâmico, prolina, glicina, alanina, valina, metionina, isoleucina, leucina, tirosina, fenilalanina, hidroxilisina, lisina, histidina, arginina, entre outros.
Sua estrutura molecular consiste em seqüências primárias de proteínas, o que causa diferenças entre os diversos tipos de colágeno. O colágeno pode ter hélice rica em prolinas, hélice rica em glicinas etc. Estes resíduos são os fatores importantes na formação de fibras de colágeno de estrutura de ordem superior.
Figura 1-4: Estrutura do colágeno indicando a cadeia alfa13
O colágeno é originado no retículo endoplasmático onde ocorre hidroxilação dos aminoácidos prolina e lisina da molécula, além da glicosilação de resíduos hidroxilisil nas cadeias em formação. Tanto no início quanto no final da molécula de procolágeno existem expansões polipeptídicas não-helicoidais, sendo denominadas peptídeos de registro.
Ao sair do meio intracelular, ocorre clivagem das extensões, deixando funcionalmente a área central (tropocolágeno), permitindo que as moléculas se organizem em arranjos lineares formando filamentos longos. Esta macromolécula linear semiflexível possui comprimento aproximado de 300 nm e 1,5 nm diâmetro e sua massa molecular média é 300.000 Da. As três cadeias polipeptídicas se dispõem em duas cadeias iguais com 1.055 resíduos de aminoácidos e uma cadeia diferenciada com 1.029 resíduos de aminoácidos ligadas entre si por ligações tipo ponte de hidrogênio e interações eletrostáticas. A sua estrutura primária é caracterizada pela repetição do tripleto Glicina (gly) 33%, Prolina (Pro) 12% e Hidroxiprolina (Hypro) 11% como mostrado na figura 1-5. Este arranjo molecular apresenta grande resistência às forças de tensão e são inelásticas14.
Estrutura de colágeno
Figura 1-5: Estrutura do colágeno a)cadeias de tripleto presente nas matrizes de colágeno b) tropocolágeno c) hélice tripla14
O colágeno promove elasticidade e resistência à pele, músculos, tendões, meniscos, ligamentos, veias, vasos e artérias, transmissão de luz na córnea, distribuição de fluídos em vasos sangüíneos e linfáticos, no próprio osso, etc. Nos tecidos duros como os ossos, o colágeno funciona como um suporte para a deposição mineral. Nos tecidos moles como a pele, o colágeno forma uma matriz onde se alojam várias substâncias e células. Ele é essencial para a manutenção da forma e da integridade do tecido. No tecido cardiovascular o colágeno forma uma rede através das artérias dando a elas um maior poder de expansão e protegendo de possíveis lesões por excesso de expansão. Outra função importante do colágeno é a sua atuação na agregação, aderência e ativação das plaquetas. Age ainda como fator do mecanismo intrínseco para o sangue coagular13.
fenotípica da célula. Portanto o colágeno promove a manutenção morfológica e remodelagem dos tecidos14.
1.3. Compósitos.
Os compósitos são materiais em cuja composição entram dois ou mais tipos de materiais diferentes. Alguns exemplos são misturas de metais e polímeros, metais e cerâmicas ou polímeros e cerâmicas. Os materiais nos quais são feitos os compósitos são usualmente classificados como matriz e reforço. O material matriz proporciona estrutura ao compósito, ele preenche os espaços vazios que ficam entre os materiais reforços e mantendo-os em suas posições relativas. O material reforço é aquele que proporciona variação das propriedades mecânicas, eletromagnéticas ou químicas do material compósito como um todo.
O compósito produzido por colágeno e NTC é original, no inicio de nossas pesquisas nenhum artigo sobre compósito usavam ao mesmo tempo colágeno e NTC.
1.4. Biocompósitos.
Pesquisas que visam à substituição de tecido ósseo, e o conhecimento das propriedades deste tecido e do material nele empregado, são vastamente realizadas desde a obtenção da base científica do implante ósseo.
“A base científica do transplante ósseo foi estabelecida na metade do século IX com observações feitas por OLLIER (1867) sobre as propriedades osteogênicas do osso e periósteo, assim como por FRIEDLANDER (1985), a influência benéfica do frio na preservação dessas características. INCLAN em 1942, e WILSON em 1947-51 publicaram estudos onde descreviam o uso de osso preservado em cirurgia ortopédica. A necessidade de encontrar material de enxerto para as falhas ósseas segmentares criadas no esqueleto vem crescendo dia-a-dia, como se pode evidenciar nas publicações de vários autores”15.
As substituições dos tecidos ósseos têm incentivado, de uma forma geral, pesquisas em busca de novos materiais também denominados biomateriais. Alguns fatores são fundamentais nas características dos suportes como morfologia, dimensão, distribuição de poros e propriedades mecânicas.
A regulamentação de produtos para a engenharia de tecidos como, por exemplo, os suportes porosos para implantes são normalizados pelas normas ASTM e por órgãos governamentais de países como Canadá, Japão e EUA (LLOYD-EVANS, 2004). A norma ASTM F1185-03, por sua vez, padroniza a composição da hidroxiapatita para implantes cirúrgicos. Os materiais para uso em engenharia de tecido ósseo podem ser cerâmicos tais como fosfatos de cálcio, vidro bioativo, vidro-cerâmico, alumina e zircônia. Podem também ser poliméricos (naturais ou sintéticos) como o quitosana, ácido (poli)lático (PLA) e ácido (poli) glicólico (PGA). Podem ainda ser metálicos como titânio, aço inox e ainda compósitos16.
possibilitar difusão durante a cultura in vivo e taxa de regeneração ajustável para combinar com a taxa de regeneração do tecido de interesse17.
Os biomateriais regulamentados são aplicados em diversas situações como relatado na tese de regeneração de cartilagem baseada em nanocompósitos com nanotubos de carbono18. Esta tese refere-se a um compósito em nanoescala contendo PLA reforçado com NTC. Ele tem função de suporte para cartilagem como um osso no campo de engenharia de tecidos. O nanocompósito tem uma estrutura única composta por matriz de PLA em forma de nanofibras, Este material é caracterizado por sua grande área superficial em uma pequena porção do mesmo (103m2/g) e pela alta porosidade, que é produzida por processo de eletrospinning com o emaranhamento das fibras. A porosidade deste material é ideal para migração de células e transporte de nutrientes, podendo ser controlável. Estudos in vitro
mostraram que as nanofibras de PLA com NTC promovem o crescimento celular sem danos visíveis à proliferação celular pela presença dos NTC. Eles concluíram que o NTC não é um material nocivo cell friendly em relação às células. Foi observado também, neste trabalho, que a rugosidade do compósito diminui com o aumento de NTC, por outro lado, as fibras sem NTC são muito planas. As propriedades mecânicas das fibras emaranhadas aumentam com o aumento percentual de NTC. Esta tese mostra a fabricação do compósito, e algumas aplicações possíveis, porém não realiza testes de indução de mineralização ou de osteogênese.
A tese de Naguib19 relata várias aplicações de NTC combinados com matrizes para biomateriais, incluindo polímeros, compósitos como epóxi, termoplásticos, gels, poli (metil metacrilato) (PMMA), poly acrilontrila (PAN) e alguns outros polímeros. Os NTC também podem ser incluídos em matrizes cerâmicas como alumina (Al
2O3),
sílica (SiO
x) e carbeto de silício (SiC) ou matrizes metálicas como níquel (Ni),
titânio (Ti) e alumínio (Al) para fazer compósitos. Ele coloca como maior problema para a utilização destes compósitos a dispersão dos NTC. Realmente, vários grupos estudam a dispersão dos NTC e pouco se sabe sobre as interações que ocorrem durante a dispersão. A tese discute também sobre o alinhamento dos NTC nestas matrizes. Este alinhamento é conseguido por dois processos:
solução polimérica saem da ponta de tubos capilares por meio de uma força elétrica gerada entre a fonte de polímero (tubo capilar) e o alvo (placa plana de Cu); onde uma alta diferença de potencial é aplicada. O campo elétrico aplicado também induz um alinhamento dos NTC paralelos à direção do fluxo. Este processo é de alta eficiência na produção de nanofibras, além de proporcionar o alinhamento dos NTC paralelos à direção axial da fibra.
2o. O alinhamento é feito por uma espécie de spray que expele o polímero misturado ao NTC que se funde ao ser ejetado. Neste caso, uma dispersão de nanotubos é feita em solução aquosa com álcool polivinílico (PVA) ou ácido poli-láctico glucólico (PLGA), e injetada com micro-seringas em clorofórmio. Desta forma, os nanotubos tendem a se alinhar e coagulam junto com o PVA ou PLGA, formando microfibras.
Referência bibliográfica
1 H. W. Kroto, et al. Nature;318: 162 (1985). 2 S. Iijima, Nature; 56: 354 (1991).
3 M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, P. C. Ecklund, Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes, Academic Press, San Diego (1996)
4 M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, Ph. Avouris, Carbon nanotubes, Springer Verlag, Berlin, 2001
5 Bin Zhao, et al. Chem Mater.;17: 3235 (2005)
6 Hamada, N.; Sawada, S.; Oshiyama, S.; Phys. Rev. Lett.; 68: 1579(1992).
7 M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, P. C. Ecklund, Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes, Academic Press, San Diego (1996).
8 Dresselhaus M.S., et al., Carbon; 33: 883 (1995)
9 Saito, R.; Fujita, M.; Dresselhaus, M.; Dresselhaus, G.; Phys. Rev. B; 46:
1804(1992)
10 Saito, R; et al.; Appl. Phys. Lett.; 60: 2204 (1992)
11 Droppa Junior, Roosevelt Síntese e caracterização de nanotubos e fulerenos nitrogenados gerados por arco elétrico. Campinas, SP : [s.n.],. Orientador: Fernando Alvarez. Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física “Gleb Wataghin”. 2004
12 P. G. Collins et al., Scientific American.;38: 283, (2000).
13http://www.maxway.com.br/Essence/kollagen-3.htm em 01/08/2005
14 VULCANI, Valcinir Aloísio. Matrizes de colágeno para liberação controlada de progesterona tese de mestrado Universidade de São Paulo. São Carlos,. orientador Ana Maria Guzzi Plepis, 2004
15 R. Jesus-GARCIA, Edilene Tristão FEOFILOFF Técnicas de obtenção, processamento, armazenamento e utilização de homo-enxertos ósseos Protocolo do Banco de Ossos da Escola Paulista de Medicina http://www.unifesp.br/dorto-onco/banco.htm, tal como foi obtida em 29 Dez 2006 20:30:04 GMT
São CarlosUSP 2006 17 US 6.544.290 B1(2003)
18 Sakina Sharmin Khan Carbon Nanotube Based Nanocomposite Fibril for Cartilage Regeneration Masters of Science in Biomedical Science Thesis Drexel University September 2002
2. Síntese de nanotubos de carbono
A aplicação de NTC em materiais biofuncionais como PVA, colágeno, PMMA para formação de compósitos requer sua produção em larga escala. Então começamos os primeiros questionamentos: como produzir NTC em larga escala? Qual método de síntese utilizar? De posse destes NTC, como prepará-los para incorporação nas matrizes? Como purificar, funcionalizar e dispersar?
Nas próximas seções serão relatados os procedimentos que foram seguidos para obter este material pronto para ser incorporado na matriz, desde a busca do catalisador, passando pela síntese, purificação e funcionalização.
2.1.
Processo de síntese de nanotubos de carbono por deposição
química na fase vapor.
O processo de deposição química na fase vapor (CVD) foi o principal método utilizado para produção de NTC na primeira etapa deste trabalho. O objetivo dessa etapa era gerar um processo de deposição em larga escala com o emprego de uma matriz cerâmica como suporte catalítico. O desenvolvimento deste processo demandou grande esforço e dedicação ora na busca do catalisador ora na otimização dos parâmetros como fluxo de gases, temperatura e tempo de síntese.
pirólise de modo que ela ocorra preferencialmente na superfície destas nanopartículas.
A partir do esquema apresentado na figura 2-1, pode-se idealizar o seguinte mecanismo para a formação dos NTC.
1. o hidrocarboneto é adsorvido e dissociado na superfície metálica, com formação de átomos de carbono adsorvidos;
2. estes átomos de carbono podem dissolver-se e difundir-se através do metal, precipitando em regiões de crescimento preferencial, como as fronteiras de grão ou as interfaces metal:suporte. Desta forma, as partículas metálicas são destacadas da superfície e transportadas com os filamentos em crescimento, enquanto que a superfície ativa continua disponível para a reação já que o carbono não se acumula sobre ela;
3. é também possível a nucleação na superfície, conduzindo à formação de filmes de carbono que efetivamente desativam o catalisador,o qual é denominado carbono encapsulante.
Para a síntese de NTC em nosso laboratório, foi utilizado um sistema de CVD comercial1. Tal sistema consiste de um tubo de quartzo posicionado dentro de um forno tubular com controle automatizado, via computador, da temperatura (até 1000°C) e do fluxo de gases dentro do reator (tubo de quartzo). Quatro linhas de gás independentes estão disponíveis, e os gases utilizados são metano, etileno, hidrogênio, amônia e argônio. Este sistema é bastante versátil, simples e eficiente, permitindo a produção de amostras de ótima qualidade e com alta reprodutibilidade.
O processo de síntese de NTC estudado consiste dos seguintes passos:
- aquecimento do catalisador em atmosfera de argônio até a temperatura desejada.
- injeção de gás etileno (C2H4) com fluxo inferior a 40 sccm por um tempo
mínimo de 25 min.
- resfriamento em atmosfera de argônio.
É importante destacar que do processo de síntese de NTC resulta uma mistura composta de catalisador com partículas metálicas, NTC e outras formas de carbono como grafite e /ou carbono amorfo. Além disso, pode-se obter estruturas de NTC diferenciadas em relação ao número de paredes variando as condições de síntese, como temperatura, taxa de aquecimento e atmosfera.
2.2. Preparo do catalisador para deposição química na fase vapor
Uma das rotas mais adotadas para o preparo de catalisadores é a utilização de materiais mesoporosos, como óxidos refratários do tipo Al2O3, como suporte para as
nanopartículas dos metais catalisadores2. O catalisador metálico pode ser introduzido no sistema de crescimento diretamente na fase de vapor (como ferroceno3), como filmes finos em substratos4, na forma de nanopartículas, ou embutido em uma matriz cerâmica porosa (como SiO2, Al2O3, MgO, etc.)5,6. Esta última é a mais apropriada
para produção em grande escala de NTC.
SiO2, os suportes mais comuns. Este fato é importante, pois simplifica enormemente
os processos de purificação, usados na remoção destes materiais sem afetar a qualidade dos NTC gerados, em processos posteriores à síntese.
Neste trabalho, foram testados vários suportes catalíticos tais como: microesferas de sílica, Al2O3 mesoporoso, micro esferas mesoporosas de CaCO3 e
MgO, ancorando nanopartículas de Fe:Mo. Os suportes catalíticos acima citados exceto o MgO geram NTC com eficiência da ordem de 10-20% de rendimento total, não sendo satisfatória para processos de larga escala e portanto fora da meta proposta no presente trabalho. Descrevo a seguir, os resultados obtidos com o crescimento de NTC obtidos com catalisador de Fe:Mo em suporte de MgO.
O pó catalisador foi produzido a partir de solução aquosa de compostos contendo ferro III obtida pela dissolução de nitrato ou sulfato de ferro com molaridade variável na presença de MgO em dispersão. Após um período de agitação, a mistura foi seca em uma estufa e o pó resultante foi calcinado a uma temperatura de 500°C para a eliminação dos subprodutos indesejados com nitratos, sulfatos etc. Em alguns casos, além do metal de transição, que é o catalisador propriamente dito, foi adicionado também o molibdênio em forma de óxido, com o intuito de aumentar a atividade catalítica. O papel do molibdênio é reduzir a energia interfacial vapor-sólido em sistemas óxidos de modo a diminuir o tamanho da nanopartículas de óxido de ferro além de aumentar sua dispersão sobre suporte óxido14. Utilizando MgO como suporte foram feitas duas séries de experimentos na qual se investigou a influência da temperatura no suporte catalítico e a influência da concentração do suporte catalítico e da temperatura de síntese na eficiência da síntese de NTC.
Na série sobre a influência da temperatura no suporte catalítico foi feito o aquecimento do catalisador por 15 min utilizando atmosfera de Ar com fluxo de 2000 sccm.
Nas séries sobre a influência da concentração do suporte catalítico e da temperatura de síntese de NTC, os experimentos foram realizados com fluxo de gases constante utilizando proporção de mistura igual á [C2H4]:[Ar]=35:2000 sccm.
1. Os reagentes nitrato de ferro, óxido de molibdênio e óxido de magnésio são misturados em composição molar pré-estabelecida.
2. A solução catalisadora é levada à estufa por aproximadamente 12h ou até que esteja totalmente seca.
3. O pó é descompactado através de moagem mecânica com uso de grau e cadinho.
4. O catalisador é levado ao forno com temperatura de 500oC por 2 horas para sua calcinação para que sejam eliminados vapores nitrosos e orgânicos que possam estar presentes na síntese.
5. Após esfriar, o pó catalisador é novamente descompactado por moagem mecânica e conservado em recipiente bem fechado em lugar seco e fresco para uso futuro.
O catalisador feito com suporte catalítico de óxido de Magnésio sintetizado mostrou sua excelência pela adequada distribuição de partículas metálicas e por ser facilmente extraído dos NTC por ataque químico em bases ou ácidos fracos o que não prejudica a estrutura dos mesmos. Ainda neste capítulo, veremos sua eficiência na produção em larga escala de nanotubos de carbono via CVD.
2.3. Caracterização do catalisador
O catalisador tem importante papel na qualidade e no rendimento da produção dos NTC, pois a sua formação depende fortemente do método de introdução do metal no suporte e sua distribuição no mesmo. Praticamente todas as referências já citadas na preparação de catalisadores mostram preparações por impregnação, co-precipitação e troca iônica, métodos clássicos também realizados nos nossos experimentos.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 0,6
0,8 1,0
Fe-Mo/MgO 100%
ma
ss
a
(mg
)
temperatura (oC)
Figura 2-2: Curva de perda de massa por aquecimento durante a calcinação
Nesta curva podemos observar que a 350oC há a maior perda de massa, onde são liberados gases nitrosos e outras impurezas voláteis nesta temperatura. A partir desta temperatura, o material se encontra calcinado e com maior estabilidade devido à ausência de impurezas acima citadas. O catalisador foi feito em quatro concentrações molares distintas Fe:Mo/MgO: 1.0:0,35:11,5; 1.0:0.35:8,6; 1.0:0,35:5,8 e 1.0:0.35:0.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 37,250 73,050 77,750 Isoterma (absorção/dessorção) Pressão relativa(P/Po) vo lu me ab so rvi d o(cc/g )
absorção 1.0:0.35:11.5 -Fe-Mo/MgO dessorção 1.0:0.35:11.5 -Fe-Mo/MgO absorção 1.0:0.35:8,6 -Fe-Mo/MgO dessorção 1.0:0.35:8,6 -Fe-Mo/MgO absorção 1.0:0.35:5,8 -Fe-Mo/MgO dessorção 1.0:0.35:5,8 -Fe-Mo/MgO
Figura 2-3: Isoterma de absorção e dessorção de hidrogênio no catalisador Fé:Mo/MgO com variação molar de MgO.
Nesta mesma análise, é possível estipular também a área superficial e a porosidade do material analisado. Observa-se na Tabela 2-1 uma grande variação da área superficial. Com o aumento da quantidade de metais catalisadores a área superficial diminui. Isto já era esperado devido à diminuição da capacidade máxima de adsorção, como foi verificado nas isotermas da adsorção dos mesmos sistemas.
Tabela 2-1: Catalisador Fe:Mo/MgO com variação molar de MgO comparação de volume absorvido, diâmetro dos poros e área superficial.
Catalisador Fe:Mo/MgO
Volume absorvido BET (cc/g)
diâmetro poro (A)
Área superficial (m2/g)
1.0:0.35:11,5 77,8 168 2,50
1.0:0.35:8,6 73,1 215 1,91
1.0:0.35:5,8 37,3 210 0,99
Este resultado, associado à diminuição do volume de poros, observado nas isotermas de adsorção, indicam a ocorrência de processos de coalecência entre poros de menor diâmetro, para a formação de poros maiores. Observa-se que a quantidades destes poros diminui com o aumento de metais. Este efeito não é tão claro comparando as amostra Fe:Mo/MgO 1.0:0.35:8,6 e Fe:Mo/MgO 1.0:0.35:5,8. Esta variação estrutural em função da temperatura causa drásticas variações na síntese dos NTC. Como poderá ser vista na próxima seção. Onde serão utilizados o catalisador com concentração Molar Fe:Mo/MgO 1.0:0.35:5,8. Este catalisador foi escolhido por apresentar melhor rendimento durante as sínteses.
Para estabelecer as variações decorrentes da mudança de temperatura na estrutura do catalisador já calcinado, foram realizados alguns experimentos indicadores de fases estruturais como difração de raios-X e espectroscopia Mössbauer.
-12 -10 -8 -6 -4 -2 0
2
4
6
8 10 12
0,96
0,98
1,00
900
0C
Velocity (mm/s)
0,96
0,98
1,00
775
0C
0,95
1,00
750
0C
0,90
0,95
1,00
700
0C
Relat
ive Transmissi
on
0,90
0,95
1,00
600
0C
0,90
0,95
1,00
500
0C
Figura 2-4: Espectros Mössbauer a temperatura ambiente do catalisador Fe:Mo/MgO tratado termicamente em diferentes temperaturas em atmosfera de argônio. As linhas cinza continuas são associadas à fase Fe1-xMgxO; as linhas cinza pontilhadas estão associadas a dois
tipos de fase da magnetita e a linha pontilhada preta é associada à fase Fe1-xMoxOy .
Os espectros Mössbauer dos catalisadores após serem aquecidos em atmosfera inerte a 500, 600 e 700oC mostram um dubleto, correspondente a sítios de Fe3+ na solução sólida Fe1-xMgxO15. Para as amostras tratadas a 750 e 775oC, além destes
dubleto aparecem dois sextetos melhor definidos a 900oC. Estes são associados aos sítios tetraédrico e octaédrico da magnésia ferrrita (MgFe2O4), respectivamente16,17,18.
No espectro da amostra a 900oC, foram ajustados dois dubletos, o primeiro já citado e um segundo associado à fase Fe1-xMoxOy18. Foram calculadas também as áreas
espectrais, as quais se referem às quantidades relativas de cada fase identificada nos espectros. Estas apresentam forte dependência com a temperatura, como mostrado na figura 2-5.
500 600 700 800 900
0 20 40 60 80 100
B C D
Area relat
iva (%)
Temperatura(oC)
Fe
1-xMgxOy
Fe1-xMoxOy Mg Fe
2O4
Figura 2-5: Áreas relativas dos sub-espectros das três fases obsedavas nos espectros Mössbauer a temperatura ambiente: fase óxido de ferro magnésio (retângulos); Fe3O4
(Triângulos) e Fe1 -xMoxOy (estrelas)
É interessante notar que as áreas espectrais das fases Fe1-xMgxO e MgFe2O4
entre 500 e 750oC não apresentam alterações significativas. Por outro lado, entre 750 e 900oC, a área espectral da solução sólida Fe1-xMgxO decresce rapidamente,
indicando a decomposição do catalisador e conseqüente liberação de ferro para o sistema. Ao mesmo tempo, o rápido crescimento da área espectral da magnetita entre 750 e 775oC sugere que grande parte (~90%) do ferro liberado está sendo consumida na formação da MgFe2O4. O restante do ferro livre (~5% de área relativa) forma a
30 35 40 45 50
Fe1-xMgxO
Fe
1-xMgxO
Mg Fe
2 O4
500oC 600oC 700oC 750oC 775o
C 900o
C
2Θ (graus)
In
tens
id
ade
(u
.a
.)
Figura 2-6: Difratogramas de raios-X das amostras tratadas termicamente em diferentes temperaturas sob atmosfera de argônio. (a) – MgO; (b) – Fe1- x Mgx O; (c )- Fe3O4;
(d) – MoO2 e (e) – FeMoO4
Esses resultados são confirmados por difração de raios-X (figura 2-6), onde podemos perceber que com tratamento térmico à 700oC aparecem picos de difração referentes à fase MgFe2O4, os quais se intensificam a 900oC. As duas técnicas
utilizadas mostram o aparecimento da fase MgFe2O4 durante o tratamento térmico, e
a existência das fases Fe1-xMgxO e MgFe2O4. a partir de 700oC
2.4. Caracterização dos nanotubos de carbono via deposição química
na fase vapor
Os NTC sintetizados via CVD apresentam características estruturais similares aos NTC sintetizados por outros métodos. Neste capítulo discutiremos as diferenças estruturais baseadas no catalisador descrito na seção anterior. Uma vez que ele apresenta diferenciações com a variação de tratamento térmico.
somente poucos NTC são observados [figura 2-7 (b)]. No caso das temperaturas de síntese entre 700 e 1000°C [figura 2-7 (c-f)], a morfologia das amostras é muito semelhante, com a presença de uma grande quantidade de NTC espalhados por toda amostra, praticamente escondendo as partículas de suporte catalítico.
Figura 2-7: Imagens de MEV de amostras de NTC crescidos sobre Fe:Mo/MgO utilizando diferentes temperaturas de síntese, T (a) T=500°C, (b) T=600°C, (c)
A semelhança entre a morfologia dos NTC é em parte devida à resolução limitada do MEV, não correspondendo à semelhança estrutural. As amostras podem ser melhor estudadas por MET. Esta técnica permite distinção entre NTPS e NTPM, como pode ser visto na figura 2-8. Esta figura mostra imagens de MET de amostras preparadas com temperaturas distintas (a) T=700oC e (b) 900oC.
Figura 2-8: MET de NTC em sínteses à temperatura de a) 700oC e b) 900oC
As imagens de MET indicam que para temperaturas de síntese inferiores a 750°C, são formados preferencialmente nanotubos de parede múltipla, no entanto para temperatura T >800°C, ocorre uma preferência de crescimento de nanotubos de parede única. Na região em torno de 750oC, ocorre à transição entre a formação de NTPM para NTPS. Além disso, as imagens de MET revelam a ausência de carbono amorfo nas amostras crescidas com temperatura maiores do que 725°C. Esta seletividade entre a produção de NTPM e NTPS em função da temperatura já foi observada em alguns trabalhos de síntese de NTC sobre substrato19, 20.
Para avaliar a qualidade dos NTC utilizamos a espectroscopia Raman que pode identificar subprodutos de carbono (carbono amorfo, grafite) e a própria estrutura deste material. A figura 2-9 revela o espectro Raman do nanotubo de carbono preparados a 900°C. O espectro na figura 2-9 (b) inclui a região de bandas de energia da desordem (D) e do grafite (G). É bem conhecido que a banda D centrada em ~1350 cm-1 está relacionada com a presença de carbono amorfo ou defeitos estruturais no nanotubo de carbono21,22,23. Sabe-se também que a banda G corresponde ao modo de vibração tangencial do grafite (E2g) que está ativo tanto no
G podem ser utilizadas como indício da presença de carbono amorfo e ou defeito estrutural no nanotubo de carbono. No caso do nanotubo de carbono produzido com temperatura 900°C, a baixa razão entre as intensidades indica uma quantidade ínfima de carbono amorfo ou defeito estrutural na amostra de nanotubos de parede única. Os diâmetros dos nanotubos de carbono são inferidos a partir da região de baixas freqüências no espectro Raman, onde os modos de respiração radial (RBM) são observados. Estes modos vibracionais relacionados com o diâmetro do tubo não dependem da quiralidade dos nanotubos de carbono Sendo assim, para diferentes simetrias dos nanotubos de carbono, (zigzag (n,0), armchair (n,n), e chiral (n,m)) vale a seguinte relação:
1 232
( ) 6,5
( )
cm
d nm
ν − = +
Onde a freqüência dos modos de respiração radial (ν) é inversamente proporcional ao diâmetro (d) de todos os nanotubos de carbono24,25. O espectro Raman para baixa freqüência mostrado na figura 2-9 (a) apresenta picos correspondentes ao modo de respiração radial (RBM) que aponta a presença de nanotubos de carbono com paredes simples 23. Devido à relação inversa entre a freqüência do modo RBM e o diâmetro dos NTC em nosso caso indica diâmetros na faixa de ~1-1.3 nm.
1200 1400 1600 1800
banda D
T=600°C
700°C
800°C
900°C
1000°C
In
ten
s
id
ad
e n
o
rmali
s
ad
a
(a.u
.)
Freqüência Raman (cm-1)
banda G
100 200 300 400 500
RBM
T=900°C
Figura 2-9: Espectro Raman de NTC (a) Região da banda G e (b) RBM (usando comprimento de onda 514,5nm)
Outro dado importante que podemos extrair da espectroscopia Raman é fator de qualidade. Este fator foi de suma importância para decidirmos quais NTC deveriam ser sintetizados em larga escala para possíveis funcionalizações e aplicações como em sensores, compósitos ou outras aplicações. Esse fator é definido como a razão de intensidade integrada das bandas D e G nos nanotubos de carbono, ele caracteriza o nível de desordem do material fornecendo o chamado ‘parâmetro de qualidade’Q e reflete a aproximadamente proporção de nanotubos perfeitos numa determinada amostra.
( ) 1
( )
I D Q
I G
A figura 2-10 mostram o fator de qualidade para os NTC produzidos em diversas temperaturas, onde podemos observar que ela decresce até com o aumento de temperatura de síntese dos NTC e torna a crescer à temperatura de síntese. O menor fator de qualidade está em volta de 0,9 e se referem aos NTC sintetizado à 900oC produzido com o catalisador de maior rentabilidade identificado na figura 2-12 (a) como Fe:Mo:MgO 1,0:0,5:5,8M
600 700 800 900 1000 0,0
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
CVD Temperatura(oC)
I D
/I G
Figura 2-10: Mostra a dependência da temperatura com o rendimento do processo de produção de NTC.
Figura 2-11: Foto barquinho a)catalisador e b) NTC para comparação de volume acrescido no processo
Através da figura 2-12 (a) podemos verificar que para porcentagens diferenciadas do catalisador no suporte catalítico a característica do rendimento é semelhante considerando as variações de temperatura onde para qualquer concentração de metais catalisadores o maior rendimento é obtido pelo processo de síntese à 775oC. Na figura 2-12 (b) pode ser observado que em sínteses com baixa temperatura são formados principalmente NTPM. Já em sínteses com temperaturas mais elevadas são formados NTPS. Estes dados podem ser confirmados na figura 2-7, onde vemos as estruturas tubulares de carbono, com paredes múltiplas na Figura 2-7a e paredes simples na figura 2-7(b).
O rendimento é definido pela razão % total catalisador metais
m m
CNT
m
−
= , onde mtotal é a
600 700
725 750
775 900 1000
r endi mento 1:0,5:11,5 M r endi mento 1:0,5:8,6 M 0 100 200 300 400 500 600 700 800 R e ndi m e n to Temperatura
Produção de CNT em Fe-Mo/MgO
rendimento 1:0,5:11,5 M
rendimento 1:0,5:8,6 M
500
600
700
800
900
1000
0
200
400
600
800
SWNTRendimento (%)
Temperatura (°C)
MWNTFigura 2-12: Rendimento da síntese de NTC (a) comparação entre concentração do catalisador e rendimentos (b) dependência da temperatura com o rendimento
ou nanocristalinos de grafite na superfície das nanopartículas (NPs), reduzindo a atividade catalítica das mesmas27.
Um fato interessante é que justamente na temperatura onde ocorrem a transição de nanotubos de paredes múltiplas para nanotubos de paredes únicas (T=750-775°C) observa-se o rendimento máximo comparando todos os processos. Para temperaturas em torno de 800oC, o rendimento do processo diminui consideravelmente. A relação entre a redução da taxa de crescimento e a transição de NTPM para NTPS crescidos com aumento da temperatura foi discutido por Geohegan
et al. através de medidas in-situ das taxas de crescimento de NTPM verticalmente alinhado em substratos cobertos com os catalisadores em forma de filmes finos28.
